(57)【要約】【課題】スパークプラグが小径化された場合においても、接地電極と主体金具との接合の強度を確保する。【解決手段】スパークプラグ（１００）は、中心電極（２０）と、ニッケルの含有率が９５％以上の金属材料からなる接地電極（３０）と、接地電極（３０）の一端が先端面（５７）に溶接された略筒状の主体金具（５０）とを備えている。スパークプラグ（１００）は、主体金具（５０）の先端面から主体金具（５０）の内部に接地電極（３０）が埋没した最も深い部分の深さＢＤが、０．１５ｍｍ≦ＢＤ≦０．４０ｍｍの条件を満たし、かつ、接地電極（３０）の、溶接によって変形した部分に最も近い部位における幅ＥＷ１と、溶接によって変形した部分の主体金具（５０）の先端面（５７）上における幅ＥＷ２とが、（ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１≧０．１の条件を満たす。【選択図】図３
2011142106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に伸びる中心電極と、
ニッケルの含有率が９５質量％以上の金属材料からなる接地電極と、
先端面に前記接地電極の一端が溶接された略筒状の主体金具と、
を備えるスパークプラグであって、
前記接地電極と前記主体金具との溶接によって、前記主体金具の先端面から前記主体金具の内部に前記接地電極が最も深く埋没した部分の深さである埋没量ＢＤが、
０．１５ｍｍ≦ＢＤ≦０．４０ｍｍ
の条件を満たし、かつ、
前記接地電極の、前記溶接によって変形した部分に最も近い部位における幅である元幅ＥＷ１と、前記溶接によって変形した部分の前記主体金具の先端面上における幅である変形幅ＥＷ２とが、
（ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１≧０．１
の条件を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】
請求項１に記載のスパークプラグであって、
前記元幅ＥＷ１と、前記変形幅ＥＷ２とが、
（ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１≧０．１６
の条件を満たすスパークプラグ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のスパークプラグであって、
更に、前記接地電極と前記主体金具との溶接によって前記接地電極の厚み方向に生じた隆起部の少なくとも一部が、前記軸線方向に沿って除去されることにより形成された除去面を備えており、
前記除去面の面積である除去面積ＣＳと、前記接地電極の、前記溶接によって変形した部分に最も近い部位において前記軸線方向と直交する断面の面積である接地電極断面積ＥＳとが、
ＣＳ／ＥＳ≧１．２
の条件を満たすスパークプラグ。
【請求項４】
請求項３に記載のスパークプラグであって、
前記除去面積ＣＳと、前記接地電極断面積ＥＳとが、
ＣＳ／ＥＳ≦１．６
の条件を満たすスパークプラグ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記接地電極は希土類元素を含有し、
前記接地電極が前記主体金具に埋没した最も深い部分に、前記希土類元素を含む結晶の粒径が２０μｍ以下となる溶融層を備え、
前記溶融層の前記軸線方向に沿った厚みである溶融層厚みＭＨが、
１０μｍ≦ＭＨ≦２００μｍ
の条件を満たすスパークプラグ。
【請求項６】
請求項５に記載のスパークプラグであって、
前記結晶は、希土類化合物であり、該希土類化合物は、前記希土類元素を含む過飽和固溶体であるスパークプラグ。
【請求項７】
請求項５に記載のスパークプラグであって、
前記結晶は、希土類化合物であり、該希土類化合物は、前記希土類元素を含む粒径５μｍ以下の金属間化合物であるスパークプラグ。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記溶融層内の前記希土類元素を含む結晶の粒径が、前記接地電極の前記溶接によって変形していない部分内の前記希土類元素を含む結晶の粒径よりも小さいスパークプラグ。
【請求項９】
請求項５ないし請求項８のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記希土類元素として、ネオジウム、イットリウム、セリウム、のうち少なくともいずれか一種類を含むスパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に取り付けられるスパークプラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の高出力化のため、インテークバルブやエキゾーストバルブのバルブ径を拡大することが必要とされている。また、高出力化された内燃機関を効率よく冷却するために、より大きなウォータージャケットを備えることが必要とされている。しかし、これらの対策を行えば、内燃機関に取付けられるスパークプラグの設置スペースが小さくなるため、スパークプラグの小径化が必要となる。【０００３】
近年の内燃機関は、低エミッション化が強く求められているため、スパークプラグには、高い着火性能が求められる。そのため、スパークプラグの主体金具を小径化しても、主体金具に溶接される接地電極の寸法はできるだけ大きくすることが好ましい。しかし、接地電極を大きくしようとすると、その厚みが、小径化された主体金具の厚みと次第に同等になるため（特許文献１参照）、両者を接合する溶融部の大きさが小さくなり、接地電極と主体金具の接合強度が低下するおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２２３９６８号公報
【特許文献２】特開２００３−５９６１７号公報
【特許文献３】特開２００９−１６２７８号公報
【特許文献４】特開２００５−３３９８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、スパークプラグが小径化された場合においても、接地電極と主体金具との接合の強度を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。【０００７】
［適用例１］軸線方向に伸びる中心電極と、ニッケルの含有率が９５質量％以上の金属材料からなる接地電極と、先端面に前記接地電極の一端が溶接された略筒状の主体金具と、を備えるスパークプラグであって、前記接地電極と前記主体金具との溶接によって、前記主体金具の先端面から前記主体金具の内部に前記接地電極が最も深く埋没した部分の深さである埋没量ＢＤが、
０．１５ｍｍ≦ＢＤ≦０．４０ｍｍ
の条件を満たし、かつ、前記接地電極の、前記溶接によって変形した部分に最も近い部位における幅である元幅ＥＷ１と、前記溶接によって変形した部分の前記主体金具の先端面上における幅である変形幅ＥＷ２とが、
（ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１≧０．１
の条件を満たすことを特徴とするスパークプラグ。【０００８】
このような構成のスパークプラグであれば、接地電極に含まれるニッケルの含有率が９５質量％以上と非常に高いため、接地電極の熱伝導性を高めることができる。そのため、主体金具内に接地電極の一部が埋没するように溶接を行うことができる。そして、この埋没の深さ（埋没量ＢＤ）を上記のような条件（０．１５ｍｍ≦ＢＤ≦０．４０ｍｍ）を満たすようにし、接地電極の元幅ＥＷ１と変形幅ＥＷ２とを上記のような条件（（ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１≧０．１）を満たすようにすることで、スパークプラグが小径化された場合においても、接地電極と主体金具との接合の強度を確保することが可能になる。【０００９】
［適用例２］適用例１に記載のスパークプラグであって、前記元幅ＥＷ１と、前記変形幅ＥＷ２とが、（ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１≧０．１６
の条件を満たすスパークプラグ。
接地電極の元幅ＥＷ１と変形幅ＥＷ２とがこのような条件を満たせば、接地電極と主体金具との接合の強度をより確実に確保することが可能になる。【００１０】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載のスパークプラグであって、更に、前記接地電極と前記主体金具との溶接によって前記接地電極の厚み方向に生じた隆起部の少なくとも一部が、前記軸線方向に沿って除去されることにより形成された除去面を備えており、前記除去面の面積である除去面積ＣＳと、前記接地電極の、前記溶接によって変形した部分に最も近い部位において前記軸線方向と直交する断面の面積である接地電極断面積ＥＳとが、
ＣＳ／ＥＳ≧１．２
の条件を満たすスパークプラグ。
除去面積ＣＳと接地電極断面積ＥＳとがこのような条件を満たせば、接地電極と主体金具との接合の強度をより確実に確保することが可能になる。【００１１】
［適用例４］適用例３に記載のスパークプラグであって、前記除去面積ＣＳと、前記接地電極断面積ＥＳとが、
ＣＳ／ＥＳ≦１．６
の条件を満たすスパークプラグ。
除去面積ＣＳと接地電極断面積ＥＳとがこのような条件を満たせば、接地電極と主体金具との接合の強度をより確実に確保することが可能になる。【００１２】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、前記接地電極は希土類元素を含有し、前記接地電極が前記主体金具に埋没した最も深い部分に、前記希土類元素を含む結晶の粒径が２０μｍ以下となる溶融層を備え、前記溶融層の前記軸線方向に沿った厚みである溶融層厚みＭＨが、
１０μｍ≦ＭＨ≦２００μｍ
の条件を満たすスパークプラグ。
このような構成であれば、接地電極に希土類元素が含まれているため、接地電極の熱伝導率は主体金具に対しては低くなる。そのため、主体金具の方が溶融しやすくなり、主体金具内に接地電極の一部を良好に埋没させることができる。また、一般的に、接地電極と主体金具との間に形成される溶融層の厚みが大きいと、その部分を起点として接地電極３０が折れ易くなる。しかし、溶融層厚みＭＨを上記のような範囲に収めれば、溶融層を比較的薄くすることができるので、接地電極と主体金具の接合の強度を確保することが可能になる。【００１３】
［適用例６］適用例５に記載のスパークプラグであって、前記結晶は、希土類化合物であり、該希土類化合物は、前記希土類元素を含む過飽和固溶体であるスパークプラグ。
このように、溶融層内に過飽和固溶体が含まれていれば、異物の混入を抑制することができるため組織間の結合強度が高くなる。そのため、接地電極と主体金具の接合の強度をより確実に確保することが可能になる。【００１４】
［適用例７］適用例５に記載のスパークプラグであって、前記結晶は、希土類化合物であり、該希土類化合物は、前記希土類元素を含む粒径５μｍ以下の金属間化合物であるスパークプラグ。
このように、溶融層内に粒径５μｍ以下という比較的小さな金属間化合物が含まれていれば、応力が分散され易くなるため、接地電極と主体金具の接合の強度をより確実に確保することが可能になる。【００１５】
［適用例８］適用例５ないし適用例７のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、前記溶融層内の前記希土類元素を含む結晶の粒径が、前記接地電極の前記溶接によって変形していない部分内の前記希土類元素を含む結晶の粒径よりも小さいスパークプラグ。
このような構成であれば、接地電極と主体金具の接合の強度をより確実に確保することが可能になる。【００１６】
［適用例９］適用例５ないし適用例８のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、前記希土類元素として、ネオジウム、イットリウム、セリウム、のうち少なくともいずれか一種類を含むスパークプラグ。
このような希土類元素が接地電極に含まれていれば、接地電極の端部を主体金具内に良好に埋没させることが可能になる。【００１７】
なお、本発明は、上述したスパークプラグとしての構成のほか、スパークプラグの製造方法としても構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態としてのスパークプラグの部分断面図である。
【図２】希土類元素の添加された接地電極と主体金具の接合方法を示す説明図である。
【図３】接地電極と主体金具の接合部分を示す拡大図である。
【図４】破断実験の方法を示す説明図である。
【図５】電子顕微鏡によって得られた溶融層付近の断面画像を示す図である。
【図６】溶融層の断面の結晶構造を電子顕微鏡で観察した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態と実施例とについて説明する。
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の実施形態としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。以下では、図１中の軸線Ｏに沿った上側をスパークプラグ１００の先端側とし、下側を後端側として説明する。スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備える。
【００２０】
中心電極２０は、絶縁碍子１０の先端から突出する棒状の電極であり、絶縁碍子１０の内部を通じて、絶縁碍子１０の後端に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。中心電極２０の外周は、絶縁碍子１０によって保持され、絶縁碍子１０の外周は、端子金具４０から離れた位置で主体金具５０によって保持されている。
【００２１】
絶縁碍子１０は、中心電極２０および端子金具４０を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の絶縁体であり、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成されている。絶縁碍子１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも後端側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも先端側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７の更に先には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって中心電極２０側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。
【００２２】
主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具であり、本実施例では、低炭素鋼から成る。主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２と、シール部５４とを備える。主体金具５０の工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付ける工具が嵌合する。主体金具５０の取付ネジ部５２は、エンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合するネジ山を有する。主体金具５０のシール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成され、シール部５４とエンジンヘッド（図示せず）との間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。主体金具５０の先端面５７は、中空の円状であり、その中央には、絶縁碍子１０の脚長部１３から中心電極２０が突出する。
【００２３】
中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２５を埋設した棒状の部材である。本実施例では、電極母材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金から成り、芯材２５は、銅または銅を主成分とする合金から成る。中心電極２０は、電極母材２１の先端が絶縁碍子１０の軸孔１２から突出した状態で絶縁碍子１０の軸孔１２に挿入され、セラミック抵抗３およびシール体４を介して端子金具４０に電気的に接続される。
【００２４】
接地電極３０は、その一端が主体金具５０の先端面５７に接合され、他端が中心電極２０の先端部と対向するように屈曲されている。本実施形態の接地電極３０は、ニッケル（Ｎｉ）を９５質量％以上含有したニッケル合金によって形成されており、更に、希土類元素であるネオジウム（Ｎｄ）が０．０５〜１．０質量％添加されている。希土類元素としては、ネオジウムの他にも、イットリウム（Ｙ）やセリウム（Ｃｅ）を用いることも可能である。なお、接地電極３０は、ニッケルや希土類元素以外にも、クロム（Ｃｒ）を含有していても良い。接地電極３０は、例えば、ニッケルとネオジウムとを上記割合で含む原材料を、真空溶解炉を用いて溶解、鋳造して鋳塊とし、この鋳塊に熱間加工および線引き加工を施すことで製造することができる。
【００２５】
図２は、希土類元素の添加された接地電極３０と主体金具５０の接合方法を示す説明図である。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、まず、接地電極３０を上電極７１で保持し、主体金具５０を下電極７２で保持する。このとき、主体金具５０の先端面５７から上電極７１の下面までには、０．５〜２．０ｍｍの間隔を空け、主体金具５０の先端面５７から下電極７２の上面までには、５．０〜３０．０ｍｍの間隔を空ける。そして、この状態で、２つの電極７１，７２を用いて上下方向からそれぞれ４００〜８００Ｎの力で加圧を行う。なお、上電極７１および下電極７２は、クロム銅、黄銅、ベリリウム銅、銅タングステン、銀タングステン、ハイスなどの材質によって形成されている。
【００２６】
続いて、上電極７１および下電極７２によって加圧を行うと同時に、交流インバータ電源７３によって、これらの電極７１，７２間に通電を行い、抵抗溶接を行う。通電時には、接地電極３０と主体金具５０との溶融によって、上電極７１および下電極７２からの加圧力は、それぞれ、５０〜２００Ｎほど低下する。そして、通電後には、上電極７１と下電極７２とによって、接地電極３０と主体金具５０とをそのままの状態で５０〜２００ミリ秒間保持する。なお、本実施例では、交流インバータ電源７３によって通電を行うこととしたが、トランジスタ電源やコンデンサ電源などの短時間・大電流方式の他の電源を用いることも可能である。
【００２７】
以上のようにして接地電極３０と主体金具５０とを溶接すると、図２（ｂ）に示すように、接地電極３０の下端が主体金具５０内に埋没するように接地電極３０と主体金具５０とが接合される。接地電極３０の下端が主体金具５０内に埋没するのは、本実施形態では接地電極３０のニッケルの含有率が９５質量％以上と非常に高いため、接地電極の熱伝導性が高まり、主体金具５０に熱が伝わりやすいからである。また、本実施形態では、接地電極３０に希土類元素が添加されているため、接地電極３０の熱伝導率は主体金具５０に対しては低くなり、主体金具５０の方が接地電極３０よりも溶融しやすいからである。
【００２８】
接地電極３０と主体金具５０とが接合されると、図２（ｂ）に示すように、主体金具５０の上端部には、接地電極３０の厚み方向に溶接バリ８０（隆起部）が生じる。そこで、この溶接バリ８０を、軸線Ｏに沿うように、主体金具５０の外面および内面について、せん断加工や切削加工等の周知の機械加工によってそれぞれ除去する。こうすることで、図２（ｃ）に示すように、溶接バリ８０の除去された接地電極３０付きの主体金具５０が製作される。以上で説明した接合方法によって接地電極３０と主体金具５０とを接合すると、その後、主体金具５０内に絶縁碍子１０や中心電極２０を組み付けることで、スパークプラグ１００は完成する。
【００２９】
図３は、接地電極３０と主体金具５０の接合部分の拡大図である。図３（ａ）には、接地電極３０の幅方向における拡大図を示した。以下の説明では、接地電極３０と主体金具５０との溶接によって変形した部分に最も近い部位における接地電極３０の幅を「元幅ＥＷ１」という。また、接地電極３０と主体金具５０の溶接によって変形した部分の主体金具５０の先端面５７上における接地電極３０の幅を「変形幅ＥＷ２」という。また、溶接バリ８０（図２参照）が除去された部分の面積のことを「除去面積ＣＳ」という。除去面積ＣＳは、接地電極３０および主体金具５０の内面および外面の除去面積をそれぞれ足し合わせた面積である。
【００３０】
図３（ｂ）には、接地電極３０の厚み方向における拡大図を示した。以下の説明では、接地電極３０と主体金具５０の溶接によって変形した部分に最も近い部位における接地電極３０の厚みを「元厚みＥＴ１」といい、接地電極３０と主体金具５０の溶接によって変形した部分の主体金具５０の先端面５７上における接地電極３０の厚み（バリ取り後の厚み）を「変形厚みＥＴ２」という。また、以下の説明では、接地電極３０と主体金具５０の溶接によって変形した部分に最も近い部位において接地電極３０を軸線Ｏと直交する平面によって切断した断面の面積のことを「接地電極断面積ＥＳ」という。この接地電極断面積ＥＳは、元幅ＥＷ１と元厚みＥＴ１の積によって表される。
【００３１】
図３（ｃ）には、接地電極３０の幅方向についての断面を示した。図３（ｃ）に示すように、接地電極３０と主体金具５０とが図２に示した方法で溶接されると、主体金具５０の先端面５７よりも低い位置（後端側の位置）において、接地電極３０と主体金具５０との境界に溶融層ＭＬが形成される。本実施形態では、接地電極３０と主体金具５０の境界において、希土類元素を含む結晶の粒径が２０μｍ以下となる範囲を溶融層ＭＬという。以下の説明では、主体金具５０の先端面５７から主体金具５０の内部に接地電極３０（溶融層ＭＬを含む）が最も深く埋没した部分の深さのことを、「埋没量ＢＤ」という。また、主体金具５０の先端面５７から主体金具５０の内部に接地電極３０が埋没した最も深い部分の溶融層ＭＬの厚みのことを「溶融層厚みＭＨ」という。
【００３２】
本実施形態のスパークプラグ１００は、図３に示した種々のパラメータが、以下の条件１〜４を満たすように作製されている。条件１は埋没量ＢＤについての条件であり、条件２は接地電極３０の幅方向の変形割合（以下、「幅方向変形割合」という）についての条件である。また、条件３は接地電極断面積ＥＳに対する除去面積ＣＳの割合（以下、「除去面積比」という）についての条件であり、条件４は溶融層厚みＭＨについての条件である。
【００３３】
・条件１：  ０．１５ｍｍ≦ＢＤ≦０．４０ｍｍ
・条件２：  （ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１≧０．１
・条件３：  １．２≦ＣＳ／ＥＳ≦１．６
・条件４：  １０μｍ≦ＭＨ≦２００μｍ
【００３４】
更に、本実施形態のスパークプラグ１００は、溶融層ＭＬの結晶構造が以下の条件５を満たすように作製されている。
【００３５】
・条件５：溶融層ＭＬに含まれる希土類化合物の結晶が、希土類元素を含む過飽和固溶体か、希土類元素を含む粒径５μｍ以下の金属間化合物、の少なくともいずれか一方である。
【００３６】
本実施形態のスパークプラグ１００は、上述した種々の条件を満たすことで、接地電極と主体金具との接合の強度を確保することが可能となった。以下、上述した各条件の根拠を実験結果に基づいて説明する。
【００３７】
Ｂ．実施例：
本実施例では、元厚みＥＴ１および元幅ＥＷ１が異なる（つまり、断面積が異なる）複数種類の接地電極３０を用意し、それぞれの種類毎に、接地電極３０と主体金具５０とを抵抗溶接する際に電極７１，７２間に流す電流値を１．５ＫＡ〜３．０ＫＡの範囲で変動させることで、上述した条件１〜４に係るパラメータが様々な値を採る複数種類の接地電極３０付き主体金具５０（以下、「サンプル」という）を製作した。そして、こうして製作されたサンプルの接地電極３０を複数回折り曲げ、２．５回以上折り曲げても接地電極３０が破断しなかったものを合格（◎）とし、折り曲げ回数が２．５回未満で破断したものを不合格（×）とする破断実験を行った。折り曲げ回数の２．５回とは、１０万キロの通常の走行に耐えることが可能な接地電極３０の強度を示す。
【００３８】
図４は、破断実験の方法を示す説明図である。図示するように、この破断実験では、接地電極３０が主体金具５０の先端面５７に垂直に接合された状態から（図４（ａ））、主体金具５０の先端面５７に接地電極３０が平行になるまで内側に折り曲げ（図４（ｂ））、さらに、折り曲げられた接地電極３０を再び、主体金具５０の先端面５７に垂直に折り返す作業を行う（図４（ｃ））。折り曲げ回数は、図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態に接地電極３０を折り曲げる工程を０．５回としてカウントし、図４（ｂ）の状態から図４（ｃ）の状態に、再び、接地電極３０を折り返す工程を、次の０．５回としてカウントする。
【００３９】
上述した破断実験の結果を表１に示す。表１に示すように、この実験では、接地電極３０の元厚みＥＴ１および元幅ＥＷ１の組み合わせが、それぞれ１．１ｍｍおよび２．２ｍｍのサンプル（サンプルＮｏ．１〜４）と、１．３ｍｍおよび２．７ｍｍのサンプル（サンプルＮｏ．５〜９）と、１．６ｍｍおよび２．８ｍｍのサンプル（サンプルＮｏ．１０〜１４）と、について上述した破断実験を行った。
【００４０】
【表１】
2011142106.tif 000003
【００４１】
表１に示すように、上述した破断実験によって、折り曲げ回数が２．５回以上確保できたもの（判定結果が◎のもの）は、サンプルＮｏ．２，３，４，７，８，９，１１，１２，１４のサンプルであった。そこで、判定結果が◎となったこれらのサンプルに基づいて、上述した各条件に係るパラメータの範囲を以下に検証する。
【００４２】
まず、条件１について、折り曲げ回数が２．５回以上確保できたサンプルの埋没量ＢＤの最低値は０．１５ｍｍであり、最大値は０．４０ｍｍであった。埋没量ＢＤがこの範囲を外れるサンプルはいずれも折り曲げ回数は、２．５回未満であった。この結果から、埋没量ＢＤを０．１５ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下とすることで、接地電極３０と主体金具５０との接合強度を確保できることが確認できた。
【００４３】
次に、条件２について、折り曲げ回数が２．５回以上確保できたサンプルの幅方向変形割合（＝（ＥＷ２−ＥＷ１）／ＥＷ１）は、最小値が０．１０（＝１０％）であり、最大値が０．５２（＝５２％）であった。そのため、折り曲げ回数を２．５回以上確保するためには、幅方向変形割合は少なくとも０．１０（好ましくは、０．１６以上）、必要となることが確認できた。
【００４４】
また、条件３について、折り曲げ回数が２．５回以上確保できたサンプルの除去面積比（＝ＣＳ／ＥＳ）は、最小値が１．２（＝１２０％）であり、最大値が１．６（＝１６０％）であった。除去面積比がこの範囲を外れるサンプルは、いずれも、折り曲げ回数は、２．５回未満であった。この結果から、除去面積比を１．２以上１．６以下とすることで、接地電極３０と主体金具５０との接合強度を確保できることが確認できた。
【００４５】
また、条件４について、折り曲げ回数が２．５回以上確保できたサンプルの溶融層厚みＭＨは、最小値が１０μｍであり、最大値が２００μｍであった。溶融層厚みＭＨがこの範囲を外れるサンプルは、いずれも、折り曲げ回数は、２．５回未満であった。この結果から、溶融層厚みＭＨを１０μｍ以上２００μｍ以下とすれば、接地電極３０と主体金具５０との接合強度を確保できることが確認できた。一般的に、接地電極３０と主体金具５０との間に形成される溶融層ＭＬの厚みが大きいと、その部分を起点として接地電極３０が折れ易くなる。例えば、サンプルＮｏ．１３では、溶融層厚みＭＨが２７０μｍであり、他のサンプルより厚く形成されているが、折り曲げ回数は０．５回しか確保されていない。しかし、溶融層厚みＭＨが上記のような範囲に収まれば、溶融層ＭＬを比較的薄くすることができるので、接地電極３０と主体金具５０の接合の強度を確保することが可能になる。
【００４６】
図５は、電子顕微鏡によって得られた溶融層ＭＬ付近の断面画像を示す図である。図５（ａ）は、溶融層厚みＭＨが上記条件４（１０μｍ≦ＭＨ≦２００μｍ）を満たす断面を示し、図５（ｂ）は、溶融層厚みＭＨが上記条件４を満たさない断面を示している。条件４に係る溶融層厚みＭＨは、図５に示すような断面画像から、結晶粒径が２０μｍ以下となる部分を目視あるいはコンピュータによって判別し、この部分の厚みを断面画像上で測定することで計測している。この測定方法によれば、溶融層ＭＬ内の結晶の粒径は、接地電極３０の溶融層ＭＬを除いた部分の結晶の粒径よりも小さいことが確認できた。
【００４７】
続いて、上述した条件５について検証する。まず、表１に示したサンプルの中から、判定結果が◎となった代表的なサンプル４つ（サンプルＮｏ．２，８，１２，１４）と、×となった代表的なサンプル２つ（サンプルＮｏ．１，１３）とを選択し、これらのサンプルについて溶融層ＭＬの断面の結晶構造を電子顕微鏡で観察した。そして、電子顕微鏡によって得られた拡大画像から、溶融層ＭＬ内に、希土類元素を含む希土類化合物として、過飽和固溶体が有るか否か、結晶粒径５μｍ以下の金属間化合物が有るか否か、結晶粒径が５〜２０μｍの金属間化合物が有るか否か、を確認した。表２に、確認の結果を示す。図６には、溶融層ＭＬの断面の結晶構造を電子顕微鏡で観察した様子を示す。
【００４８】
【表２】
2011142106.tif 000004
【００４９】
表２に示すように、判定結果が◎となるサンプルについては（サンプルＮｏ．２，８，１２，１４）、溶融層ＭＬ内に、過飽和固溶体か、結晶粒径が５μｍ以下となる金属間化合物が観察された。図６（ａ）は、過飽和固溶体が観察された様子を示し、図６（ｂ）は、結晶粒径が５μｍ以下の金属間化合物が観察された様子を示している。具体的には、溶融層厚みＭＨが比較的小さいサンプルＮｏ．２（溶融層厚みＭＨ＝１０μｍ）については、結晶粒径が５μｍ以下の金属間化合物が確認され、溶融層厚みが比較的厚いサンプルＮｏ．１２（溶融層厚みＭＨ＝１６０μｍ）およびサンプルＮｏ．１４（溶融層厚みＭＨ＝２００μｍ）については、過飽和固溶体が確認された。また、これらの中間の溶融層厚みＭＨを有するサンプルＮｏ．８（溶融層厚みＭＨ＝８０μｍ）については、過飽和固溶体と、結晶粒径が５μｍ以下の金属間化合物との両者が確認された。
【００５０】
一方、判定結果が×となるサンプルについては（サンプルＮｏ．１，１３）、いずれも、その溶融層ＭＬ内には、結晶粒径が比較的大きな５μｍ〜２０μｍとなる金属間化合物が観察された。図６（ｃ）は、結晶粒径が５〜２０μｍの金属間化合物が観察された様子を示している。
【００５１】
このように、表２に示した確認結果によれば、溶融層ＭＬ内に、希土類元素を含む過飽和固溶体か、結晶粒径が５μｍ以下の希土類元素を含む金属間化合物の、少なくともいずれか一方が含まれていれば、接地電極３０と主体金具５０との接合強度を確保できることが確認できた。これは、溶融層ＭＬ内に過飽和固溶体が含まれていれば、異物の混入を抑制することができるため組織間の結合強度が高くなると考えられ、また、溶融層内に粒径５μｍ以下という比較的小さな金属間化合物が含まれていれば、応力が分散され易くなると考えられるからである。なお、過飽和固溶体は、その化学的性質から、結晶の粒径を観察することはできないが、過飽和固溶体は、１３００〜１４００℃に加熱後、急激に冷却したときに希土類が固溶する性質を有する。そのため、このような処理を溶融層ＭＬに対して行えば、過飽和固溶体の有無を正確に判断することができる。
【００５２】
以上、表１や表２に示した実験結果から、スパークプラグ１００は、例えば、その径が、Ｍ１２、Ｍ１０、Ｍ８、あるいはそれ以下に小径化された場合においても、上述した条件１〜５（少なくとも条件１および２）を満たしていれば、接地電極３０と主体金具５０との接合の強度を確保することが可能になることが確認できた。
【００５３】
以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明はこのような実施形態や実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることが可能である。例えば、主体金具５０に接合される接地電極３０は、１本に限らず、複数本であってもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１００…スパークプラグ
３…セラミック抵抗
４…シール体
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…脚長部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…電極母材
２５…芯材
３０…接地電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５４…シール部
５７…先端面
７１…上電極
７２…下電極
７３…交流インバータ電源
８０…溶接バリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2011142106.tif 000011
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